Pem fuel cell modeling and converters design for a 48 v dc power bus

Fuel cells (FC) are electrochemical devices that directly convert the chemical energy of a fuel into electricity. Power systems based on proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) technology have been the object of increasing attention in recent years as they appear very promising in both stationary and mobile applications due to their high efficiency, low operating temperature allowing fast startup, high power density, solid electrolyte, long cell and stack life, low corrosion, excellent dynamic response with respect to the other FCs, and nonpolluting emissions to the environment if the hydrogen is obtained from renewable sources. The output-voltage characteristic in a PEMFC is limited by the mechanical devices which are used for regulating the air flow in its cathode, the hydrogen flow in its anode, its inner temperature, and the humidity of the air supplied to it. Usually, the FC time constants are dominated by the fuel delivery system, in particular by the slow dynamics of the compressor responsible for supplying the oxygen. As a consequence, a fast load transient demand could cause a high voltage drop in a short time known as oxygen starvation phenomenon that is harmful for the FC. Thus, FCs are considered as a slow dynamic response equipment with respect to the load transient requirements. Therefore, batteries, ultracapacitors or other auxiliary power sources are needed to support the operation of the FC in order to ensure a fast response to any load power transient. The resulting systems, known as FC hybrid systems, can limit the slope of the current or the power generated by the FC with the use of current-controlled dc-dc converters. In this way, the reactant gas starvation phenomena can be avoided and the system can operate with higher efficiency. The purpose of this thesis is the design of a DC-DC converter suitable to interconnect all the different elements in a PEMFC-hybrid 48-V DC bus. Since the converter could be placed between elements with very different voltage levels, a buck-boost structure has been selected. Especially to fulfill the low ripple requirements of the PEMFCs, but also those of the auxiliary storage elements and loads, our structure has inductors in series at both its input and its output. Magnetically coupling these inductors and adding a damping network to its intermediate capacitor we have designed an easily controllable converter with second-order-buck-like dominant dynamics. This new proposed topology has high efficiency and wide bandwidth acting either as a voltage or as a current regulator. The magnetic coupling allows to control with similar performances the input or the output inductor currents. This characteristic is very useful because the designed current-controlled converter is able to withstand shortcircuits at its output and, when connected to the FC, it facilitates to regulate the current extracted from the FC to avoid the oxygen starvation phenomenon. Testing in a safe way the converter connected to the FC required to build an FC simulator that was subsequently improved by developing an emulator that offered real-time processing and oxygen-starvation indication. To study the developed converters and emulators with different brands of PEMFCs it was necessary to reactivate long-time inactive Palcan FCs. Since the results provided by the manual reactivation procedure were unsatisfactory, an automatic reactivation system has been developed as a complementary study of the thesis.En esta tesis se avanzo en el diseño de un bus DC de 48 V que utiliza como elemento principal de generación de energía eléctrica una pila de combustible. Debido a que la dinámica de las pilas de combustible están limitadas por sus elementos mecánicos auxiliares de control una variación rápida de una carga conectada a ella puede ocasionar daños. Es por esto que es necesario utilizar elementos almacenadores de energía que puedan suministrar estas rápidas variaciones de carga y convertidores para que gestionen de una forma controlada la potencia del bus DC. Durante la realización de pruebas de los convertidores es de gran importancia utilizar emuladores o simuladores de pilas de combustibles, esto nos permite de una forma económica y segura realizar pruebas criticas antes de conectar los convertidores a la pila. Adicionalmente una nueva topologia de convertidor fue presentada y ésta gestionará la potencia en el bu

Algoritmo genético para la ubicación óptima de sensores en un robot seguidor de línea.

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Diseño de un estabilizador de sistemas de potencia difuso basado en la técnica LMI

En este artículo se presenta el diseño de control para un PSS instalado en un sistema de potencia de una máquina síncrona conectada a un barraje infinito (SMIB, single machine infinite bus power system) para el estudio de pequeña señal, usando la técnica de Desigualdades Lineales Matriciales (LMI). Esta metodología permite realizar un diseño adecuado del controlador con restricciones de operación no lineales, calculando simultáneamente un control por realimentación de variables de estado que garantiza que el sistema controlado presenta una serie de características de estabilidad. Se muestran los resultados de las simulaciones comprobando la efectividad del control propuesto para el PSS, ampliando los límites de estabilidad alrededor de un punto de operación. Esta implementación se realizó mediante la utilización del paquete MATLAB

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Diseño y construcción de un inversor trifásico

Este artículo presenta el diseño y construcción de un inversor trifásico, el cual muestra el principio de operación de la topología de 3 ramas, características de las protecciones, y resultados experimentales de acuerdo a la técnica de modulación utilizada. Como carga se implementó una configuración RL que fue sometida a un nivel de voltaje de 72.1V. Además se aplicó un filtro en configuración L pasa-bajo donde se eliminó desde el tercer armónic

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